设计MSK系统信道采用AWGNChannel.doc

1MSK系统（信道采用AWGN Channel）一、 摘要本课程设计主要针对MSK系统的设计,其中信道采样AWGN(加性高斯白噪声)信道。MSK是一种特殊的2FSK(二进制频移键控)，这种调制方式能使信号相位连续，包络恒定，进而减小了误码传输，提高了传信效率。加性高斯白噪声 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 是最基本的噪声与干扰模型。通过Matlab6.5软件中的Simulink模块对该系统进行设计与仿真，并进行系统的性能评价（分析误码率）和波形分析（眼图，和星座图）。二、 设计目的和意义现代社会要求通信方式能使消息几乎在任意距离上实现迅速、有效、准确、可靠的传递。可根据信道中所传输的信号的特征，把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统的应用比较早，也比较广泛，但数字通信系统以其显著的优越性得到了迅速的发展。随着通信技术和计算机技术的飞速发展，计算机数字通信技术显得越来越重要，甚至有替代模拟通信的优势。但是，目前常用的数字通信传输信道仍为模拟信道，为了能使数字信号可靠、有效地在模拟信道中传输，就必须将数字信号调制到模拟信道的载波上。在大多数数字通信系统中，可获得的信道带宽是有限的，因此，系统设计人员在选择用来发送信息的调制技术时，必须考虑由信道带宽限制造成的约束。由此，确定数字调制信号的频谱成份非常重要。由于信息序列是随机的，因此数字调制信号是一个随机过程，应确定这样的随机过程的功率密度谱。由功率密度谱就能确定用来发送携带信息的信号所需要的带宽。故需要对调制信号的功率谱进行分析，近年来计算机仿真技术的发展为调制信号的功率谱分析提供了新的手段，并逐渐获得广泛的应用。最小频移键控(MSK)是一种恒定包络、相位连续的频移键控调制方式。由于它在码元转换瞬间相位保持连续，因此具有良好的窄带特性。与其他的数字调制信号相比，MSK信号的优点在于：功率谱密度相当集中，频带利用率高；频带较窄，在跳频扩频通信中可以增加跳频点；具有恒包络特性，适用于功率受限而进行非线性放大的场合；1码和0码的波形正交，有利于构成最佳接收系统来降低误码率。基于它的这些特点，MSK信号在地域通信网的干线、微波通信以及无线移动通信的数据传输中得到了广泛的应用。三、 设计原理MSK是Doelz和Heald在他们的一项专利中提出的一种信号的调制方式。1972年，DeBuda认为MSK就是一种特殊的CPFSK调制方式，经过一段时间的发展，MSK 被认为是正弦加权的0QPSK 的形式。1977年，Amoroso and Kivett通过一系列的变化把MSK简化成了sMSK。目前，MSK 在实际的通信系统中已经得到了广泛的应用。例如，SMSK已应用在美国航空和宇宙航行局的高级通信卫星上，GMsK 已经应用于欧洲GSM通信系统中。MSK是一种恒包络调制方式，这种硬限幅的调制方式可以去除干扰引起的幅度的变化，由于QPSK，0QPSK等调制方式没有从根本上解决包络起伏的问题，究其原因是相位的非连续变化引起的。因此，会很自然的想到使用相位连续的调制方式，从而提出了MSK 的调制方式。这种调制方式能使信号相位连续，包络恒定，进而减小了误码传输，提高了传信效率。MSK是一种特殊的2FSK(二进制频移键控)。2FSK信号通常是有两个独立的震荡源产生，一般来说在频率转换处相位不连续，因此，会造成功率谱产生很大的旁瓣分量，若通过带限系统后会产生信号包络的起伏变化。为了克服以上缺点，需控制在频率转换处相位变化是连续性的，这种形式的数字频率调制称为相位连续的频移键控(CPFSK)，MSK属于CPFSK，但因其调制指数最小，在每个码元持续时间Ts内，频移恰好引起盯相移变化，所以称这种调制方式为最小频移键控MSK 。MSK信号可表示为 （1）下面讨论第k个码元相位变化情况(即除载波相位之外的附加相位) （2） 根据相位连续的条件，要求在t=kTs时满足 （3）即 （4）可得 （5）将式(2)代人式(1)，得： （6）式中， ，或。 利用三角函数将式(16)展开得 （7）式中： （8） （9）将式(8)和式(9)代人式(7)，有 式中、为同相分量；为正交分量。加性高斯白噪声 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 是最基本的噪声与干扰模型。它的幅度分布服从高斯分布，而功率谱密度是均匀分布的，它意味着除了加性高斯白噪声外，r(t)与s(t)没有任何失真。即H(f)失真的。加性噪声：叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。白噪声：噪声的功率谱密度在所有的频率上均为一常数，则称这样的噪声为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称这样的噪声为高斯白噪声。AWGN，在通信上指的是一种通道模型（channel model），此通道模型唯一的信号减损是来自于宽带（Wideband）的线性加成或是稳定谱密度（以每赫兹瓦特的带宽表示）与高斯分布振幅的白噪声。四、 详细设计步骤整个设计的结构框图如图1所示信号源AWGN通道MSK调制MSK解调误码率分析、眼图和星座图 图1 MSK系统结构框图1、MSK调制器的实现根据以上的分析，可采用正交调幅方式产生MSK信号，如图1所示。首先将输人的二进制信号进行差分编码。经串/并变换，将一路延迟，得到相互交错一个码元宽度的两路信号和，然后用加权函数和分别对两路数据信号和进行加权，加权后的两路信号在分别对正交载波和进行调制，调制后的信号相加后通过带通滤波器，就得到MSK信号。图2为MSK的信号调制方框图。 图2 MSK信号调制方框图2、MSK信号的解调MSK 信号在第k比特间隔内可以写成以下形式： ， 当，n为整数，可以证明和在周期T内是正交的。 MSK 的最佳相干解调与QPSK 的解调是相类似的， 图3为MSK的最佳相干解调方框图。 图3 MSK信号解调方框图由于,I(t)和Q(t)每个数据符号占据2T的时间，所以解调的时间是2T。3、MSK系统各模块在Matlab（Simulink）中的参数设置（1）伪随机序列产生器（Bernoulli Binary Generator）图4 伪随机序列产生器 该模块的设计主要是产生一组随机的0、1等概序列（第一行参数设为0.5）。Initial seed（初始种子）设置为54321，这是信道的基本参数，抽样时间（Sample time）设为0.1s。（2）MSK调制（MSK Modulato Baseband）图5 MSK调制参数设置 选择MSK调制模块接收的数据类型为Bit(位)型，因为输入的数据是0、1的序列。阶段性补偿（phase offset）设置为pi/4，这是MSK系统调制的基本参数，而抽样的值设为8。（3）AWGN通道（AWGN Channel） 图6 AWGN通道参数设置本设计使用相对较简单的一个加性高斯白噪声信道作为噪声信道，它在二进制相位调制信号中叠加高斯白噪声。Initial seed（初始种子）即可以是标量也可以是矢量。这个标量或矢量的长度要与信道匹配。在设计中选择Signal to noise ratio (Es/No)模式，Es/No (dB)每符号信号功率与噪声功率谱密度比，用分贝表示。（4）MSK解调（MSK Demodulator Baseband）图7 MSK解调参数设置选择MSK解调模块输出的数据类型为Bit(位)型，因为输入调制的数据是0、1的序列，解调后数据应与它为同一类型。阶段性补偿（phase offset）设置为0，这是MSK系统解调的基本参数，而抽样的值与调制模块一样设为8。（5）误码率计算器（Error Rate Calculation）图8 误码率计算器参数设置 将误码率计算器接收数据的延时设为16，计算延时（computation delay）设置为0，将计算模式（computation mode）设置为整帧（entire frame）模式。由于将误码率计算后的值显示出来以便观察，所以输出数据（Output data）类型选择端口类型，这样输出可以接一个显示器（display）显示当前的误码率值。（6）其他观察仪器 输入输出码元观察窗口（Scope） 眼图（Discrete-Time Eye Diagram Scope） 功率谱观察窗口（Spectrum Scope） 星座图观察窗口（Discrete-Time Scatter Plot Scope） 以上观察窗口的参数设置均按照观察需要来进行设置。五、 设计结果及分析 根据设计原理及设计步骤用Matlab中的Simulink来设计此MSK系统，可以得到如图9所示的设计结果。 图9 总体设计图1、误码率分析: 图10 输入调制信号（上）、解调后输出信号（下）图9中的Display模块窗口显示的数值是该系统的误码率。误码率的计算器将在一定时间内收到的数字信号中发生差错的比特数与同一时间所收到的数字信号的总比特数的比值通过显示窗口显示出来。误码率（BER：bit error ratio）是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。如图10所示，在Scope窗口中可以看到输入信号与输出信号的序列，可以看出经过调制解调后的信号与原信号相比无明显失真。2、眼图分析 图11 眼图在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，信号通过信道后，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间干扰的。在码间干扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。为了便于实际评价系统的性能，可以通过眼图直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。3、星座图分析在MSK信号星座图中，1比特区间仅使用圆周的1/4，信号点必是轴上4个点中任何一个，因此，相位必然连续。采用MSK旁瓣降低得非常明显，即使不使用截止特性较好的带通滤波器，也能获得邻道干扰少的调制信号。对MSK稍加改进就可以获得较少旁瓣的调制方式。由MSK信号点配置图可知，调制时出现旁瓣是由于调制载波相位急剧变化所引起的。MSK的相位变化是连续的，但相位变化速率（相位的一次微分）在比特变化点变成不连续。要使相位的一次微分连续，相位点必须以恒定速度旋转，若接近比特变化点，旋转速度就变慢，变化点处速度必须为0。通过Discrete-Time Scatter Plot Scope 窗口可以观察到该MSK系统调制的星座图（如图12所示），MSK星座图的特点在该图中都明显的表现出来，这也进一步验证了该系统的正确性。 图12 系统的星座图3、其他 图13 系统的功率谱图 由图可以看出，该系统的能量集中在频率较低处，这与MSK信号的特征相一致。六、 总结MSK是一种特殊的连续相位的频移键控(FrequencyShift Keying，简称FSK)，其最大频移为比特率的14。即就是，MSK是调制系数为05的连续相位的FSK。MSK已调波在任一码元内发送的频率由相邻2个码元共同决定。当相邻2个码元数据相同时发送f1，当2个码元数据不同时发送f2，则： ， ， 式中，k为正整数，t0为码元宽度。因此，MSK信号功率谱密度相对集中，频带利用率高；频带较宽，信道有效性高，在跳频扩频通信中增加跳频点；并具有恒包络特性，经过限幅后旁瓣电平仍然迅速滚降，适用于功率受限而非线性放大的应用；MSK调制的误码率与数字系统中最佳的PSK调相近，具有高可靠性；解调和同步电路简单。基于上述特点，MSK可广泛应用于移动通信系统。七、 体会刚开始那到题目的时候，我觉得很困惑。一个系统的调制解调本来就是一件很抽象的事，而我对这方面理论知识的掌握还不是很完善在我感到无从下手的时候，我就去询问同学，本来对通信原理来说我也只是一知半解的，听了同学的分析后，慢慢的有了一点头绪。上网查了一些资料，有了一些相应的解决方案，便开始尝试各种不同的方案了。运用Matlab中的Simulink模块进行初步的设计。在调用功能模块的过程中，我不断的查找相关知识，这使我更加熟悉这方面的知识，并且对MSK系统也有了更加深刻的了解。通过选择这个专业方向设计，能够充分复习在大学期间学到的通信原理和Matlab应用等课程。了解基于Matlab中Simulimk的仿真操作，加深对MSK系统调制与解调的认识。同时，在系统通道设计中，由于采用了AWGN(加性高斯白噪声)信道，所以在通信传输方面与课本上所学的模型有所不同，在设计的同时正好可以了解一下相关知识。系统以MSK调制与解调为核心，其中各个环节紧密相扣，不仅可以锻炼自己的动手设计能力，并且可以培养严谨的科学态度。该题目实用性很强，并且使Matlab与通信原理很好的结合。可以通过该题目使我在通信系统应用及设计方面的实践能力得到锻炼，更重要的是学会了使用Matlab作为学习工具来对我们的通信系统进行设计和仿真等操作，达到本科阶段综合能力的培养和提高，这对我们以后的学习和工作有着重要意义。八、 参考文献1 Rodger E.Ziemer，Roger L.Peterson 著. 尹长川，郝建军，罗涛 等 译. 数字通信基础 (Introduction to Digital Communication).